談談定向井井壁穩定問題

陳濤

摘要：從巖石力學、地球物理測井、工程錄井、環空水力學和鉆井液化學等方面分析定向井井壁穩定問題，以實現對鉆井液性能、井身結構及其它工程參數的優化設計。

關鍵詞：定向井巖石應力；地層壓力；地層破裂壓力液柱壓力數學模型

引言

導致井眼出現失穩問題的因素包括天然的原因和人為的原因。在天然的原因方面包括：地質構造類型和原地應力，孔隙度滲透性及孔除中的流體壓力等；在人為的原因方面包括：鉆井液的性能，泥頁巖化學作用的強弱，鉆柱對井壁的摩擦和碰撞等。導致井眼失穩的最根本因素就是在形成井眼的過程中，井眼四周的應力場、化學力出現了變化，導致井壁應力集中的問題，致使井內鉆液的壓強不可以和底層的地應力重新建立起平衡的關系。如果井內的鉆井液液柱比坍塌的壓力還要低的時候，井壁的巖石就會被破壞，這時候的塑性巖石會對井中產生塑性的流動，最后出現縮徑的問題，而脆性的巖石就可能會發生坍塌的問題，導致井徑的增大，如果當鉆井液的液柱壓力要比破裂時壓力還要高的情況下，井壁內四周的巖石就會被拉伸導致出現井漏的問題。此外，鉆井液的密度最好是讓井內的液柱和地層孔隙的壓力能夠互相平衡。

一、井壁應力分布

因為上覆巖層的壓力不能很好的和井軸重合，原來的水平地應力也就不能和井軸正交，所以井眼四周的巖石在切向正應力與法相正應力的共同作用之下處在三維應力的情況之下。不僅正壓力作用在井軸垂直平面井壁四周的巖石，剪應力也作用在井軸垂直平面與巖石之上，它們都嚴重的影響著井壁巖石的形態，對井壁巖石有破壞作用。

二、井壁巖石破壞準則

當前許多人為拉伸斷裂的機制操縱著地層的壓裂情況，也就是說，如果當一個有效的主應力的大小能夠與巖石拉伸的強度值相同時就會發生底層破裂的情況。

三、巖石強度參數的確定

為了能夠對全井段進行連續預測，僅憑室內巖心試驗是不夠的。而要充分利用相關的間接資料，其中最完整的莫過于測井資料。因此，將測井資料的處理與巖心試驗結合起來，確定所需要的地層參數。同時，還利用巴西試驗和水壓致裂法求取特定處的抗拉強度。

四、坍塌壓力破裂壓力和孔隙壓力的確定

在給定的井斜角、原地應力條件下，首先把原地應力場轉換成井眼坐標系下的應力場，然后計算井壁巖石的應力，并求出其主應力值。再把求得的主應力值代入相應的破壞準則中去，計算保持井眼穩定的坍塌壓力和破裂壓力。對于定向井，井壁上各主應力值本身既是井眼壓力的函數，又與井周角0有關，因而不能像垂直井那樣得到井壁破壞壓力的解析式，而只能采用數值迭代法求解。對于孔隙壓力，將聲波時差法（尤其是經驗系數法）與其它方法（如dc指數法等）相結合來評價地層孔院壓力剖面。

五、定向井環空中波動壓力

鉆井過程中，由于管柱在鉆井液中的運動引起井內壓力的瞬態波動，此壓力與井眼內靜液柱壓力一起構成了穩定井眼的實際壓力。但該壓力隨鉆井液性能、起下鉆速度、井眼形狀鉆具組合井眼深度等而發生變化稱之為波動壓力，該壓力對穩定井眼系統具有重要的意義。因此，建立了定向井同心環空、偏心環空中牛頓流體、非牛頓流體的穩態波動壓力模型，并研究了波動壓力系數的變化規律。

六、巖石力學和鉆井液化學進行耦合研究

泥頁巖是一種水敏性粘土礦物，其與鉆井液的相互作用是必然的，不過不同的巖石與不同的鉆井液作用的程度不一樣。但是力學和化學的關聯的鉆研就是計算出包括這種化學作用產生的井壁四周的巖應力，然后依據強度的條件來確定出井的四周或者是四周的巖坍塌的壓力。鉆井液對泥頁巖水化導致井壁圍巖的侵水區域的出現。在侵水區域中，巖石的含水量、彈性的模量與強度的參數是不斷的改變的，由于圍巖成為不斷改變的非均的質體，導致耦合的分析非常的復雜。在這個方面建立出水化效應的地應力的耦合模型，給出井眼穩定的水化效應。

根據上述理論模型，編制了定向井井眼穩定軟件，框圖如圖所示。

結論

針對上覆巖層壓力為中間主應力和最大主應力兩種情況，進行了數值模擬，認識如下：

1.角度對井壁破壞的影響

井斜角對破裂壓力和坍塌壓力值的影響。當上覆的壓力作為中間主應力的環境之下，當方位角的數值一定不變時，隨著井斜的角度不斷的擴大，坍塌臨界壓力值會不斷的減小。說明在這種條件下，井斜角越大鉆井越安全，當上覆壓力成為最大的主應力時，破裂臨界壓力值一般趨于減小，坍塌臨界壓力值增大。這種條件下，井斜角越小鉆井越安全。在上覆壓力為中間主應力條件下，方位角對臨界井眼壓力的影響隨井斜角的增大而變大。當方位角增大時，破裂和坍塌臨界壓力都有增大趨勢。在上覆壓力為最大主應力條件下，隨方位角增大坍塌臨界壓力略有減小，而破裂臨界壓力較明顯地增大。說明在這種條件下，方位角越大鉆井越安全。

2.井壁滲透性對井眼臨界壓力值的影響。

井壁的滲透性對坍塌臨界壓力的計算值影響不大，而對破裂臨界壓力值影響較大。考慮滲透井壁計算出的破裂和坍塌臨界壓力比非滲透井壁的破裂和坍塌臨界壓力略低。

3.地應力狀態對井眼臨界壓力的影響。

在不同的地應力條件下，破裂臨界壓力和坍塌臨界壓力隨井斜角或方位角增大的變化趨勢不同，而且其差別非常明顯。這說明在確定安全鉆井的鉆井液密度時，必須準確了解地層應力狀態。

4.波動壓力對井壁的影響

對波動壓力的研究表明管柱的偏心減小了波動壓力的數值，環空間隙的減小（或鉆柱直徑與井眼直徑之比的增加）將導致波動壓力的增加；對冪率流體隨稠度系數和流態指數的增加，波動壓力將增加；對于賓漢流體隨塑性粘度的增大，波動壓力將增加。由于大斜度井的井壁坍塌壓力和破裂壓力均與井眼的井斜角和方位角有關，因此對大斜度井來說，即使在同一區塊也沒有統一的坍塌壓力和破裂壓力剖面，而應該根據實際的井眼條件或者設計的井身剖面進行具體計算。

【結束語】

建立坍塌的壓力剖面、孔隙的壓力剖面與波動壓力所導致的附加的鉆井液的密度可以為設計正確的井身的結構，確定套管的下深，控制和避免出現噴、漏、塌等安全性事故的問題與科學的為鉆井液的密度提供依據。

參考文獻：

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[2]尹虎，唐志強，黃曉川.定向井井壁崩落與鉆進方向優化分析[J].鉆采工藝，2014，37（03）：31-33+7.